機(jī)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)閘瓦材料磨損量及力學(xué)性能研究

王筱冬，張 嬌

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

目前，我國(guó)成為全球高速鐵路技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家。2015年底，我國(guó)高鐵裝備產(chǎn)值達(dá)到4 000億元，高鐵總里程達(dá)到1.9萬(wàn)km，是世界其他國(guó)家高鐵運(yùn)行里程總和的近2倍。隨著鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)輸中制動(dòng)系統(tǒng)的重載高速化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料提出了更高的要求。機(jī)車(chē)制動(dòng)閘瓦是該系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)車(chē)組的安全。機(jī)車(chē)制動(dòng)閘瓦應(yīng)具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性能優(yōu)越、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損量小、噪聲低、使用壽命長(zhǎng)、制造成本合理等特點(diǎn)。本文針對(duì)機(jī)車(chē)中新型制動(dòng)系統(tǒng)的閘瓦材料(鑄鐵材料、合成材料和燒結(jié)材料)的耐磨性、磨損率、摩擦力、摩擦系數(shù)、硬度、密度、斷裂能以及化學(xué)成分等性能進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)提高機(jī)車(chē)制動(dòng)閘瓦的摩擦系數(shù)、耐磨性、耐腐蝕性，降低噪聲并延長(zhǎng)疲勞壽命等機(jī)械性能進(jìn)行了研究[1]。

1 試驗(yàn)材料、方法和研究

為了研究機(jī)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中閘瓦材料的摩擦學(xué)性能，對(duì)鑄鐵材料、合成材料以及燒結(jié)材料進(jìn)行了制備。通過(guò)對(duì)比分析，研究機(jī)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)UIC 2501閘瓦材料在干摩擦條件下的機(jī)械性能[2]。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造鑄鐵材料、合成材料以及燒結(jié)材料樣品，將它們凹凸面加工成扁平狀，并制作成所需的尺寸。

1.1 光譜分析化學(xué)組成

鑄鐵材料、合成材料和燒結(jié)材料樣品的化學(xué)成分見(jiàn)表1～3，樣品尺寸分別為30mm×30mm×10mm。鑄鐵和燒結(jié)材料的化學(xué)成分通過(guò)Spektrolab分析儀測(cè)定。

表1 鑄鐵材料的化學(xué)成分 %

表2 燒結(jié)材料的化學(xué)成分 %

表3 合成材料的化學(xué)成分 %

1.2 硬度測(cè)試

通過(guò)Schaffhausen-Schweiz8875裝載儀和精度為0.001mm的Schaffhausen-Suisse光學(xué)測(cè)量?jī)x測(cè)定3種材料的硬度值。每種試驗(yàn)樣品尺寸為50mm×30mm×30mm，對(duì)每種樣品進(jìn)行3次測(cè)試，再取平均值。通過(guò)數(shù)據(jù)整理可知，鑄鐵具有較高的硬度值，其平均值為233.0HB；燒結(jié)材料硬度的平均值為123.6HB；合成材料的硬度值最低，其平均值為102.0HB。

1.3 斷裂試驗(yàn)

根據(jù)TS 269/75EN10045沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料進(jìn)行試驗(yàn)[3]。將3種樣品加工成如圖1所示的尺寸，材料中間開(kāi)有缺口。3種樣品的沖擊斷裂能和沖擊強(qiáng)度見(jiàn)表4。通過(guò)樣品橫截面積吸收的能量計(jì)算缺口沖擊強(qiáng)度，樣品的橫截面積為：8mm×10mm=80mm2=0.8cm2。缺口沖擊強(qiáng)度=斷裂能量/截面積。

由表4可知，相對(duì)于其他材料，鑄鐵材料具有較高的沖擊強(qiáng)度，為5.83J/cm2，而合成材料的沖擊強(qiáng)度僅為1.46J/cm2。

圖1 閘瓦樣品材料尺寸表4 樣品沖擊斷裂能和沖擊強(qiáng)度

鑄鐵材料合成材料燒結(jié)材料沖擊斷裂能/J4.661.153.66沖擊強(qiáng)度/(J·cm-2)5.831.464.58

1.4 密度測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中所提出的測(cè)試方案，分別對(duì)每種樣品進(jìn)行密度測(cè)定，并計(jì)算它們的平均值，可得鑄鐵、燒結(jié)和合成材料的密度分別為7 232g/cm3、6 250g/cm3和1 814g/cm3，實(shí)際樣品質(zhì)量分別為9.6kg、8.0kg和2.8kg。由此可知，鑄鐵材料的質(zhì)量約為合成材料的3.42倍，燒結(jié)材料的質(zhì)量約為合成材料的2.85倍。

1.5 磨損量

對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行不同滑動(dòng)時(shí)間、載荷和轉(zhuǎn)速的磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)采用質(zhì)量差法[5]。通過(guò)兩個(gè)螺釘將磨損圓盤(pán)固定在軋機(jī)上，同時(shí)與精確調(diào)速的發(fā)動(dòng)機(jī)相連。通過(guò)頻率控制器調(diào)整固定盤(pán)上的緊固螺栓壓緊力并控制相應(yīng)的加載參數(shù)，萬(wàn)能摩擦磨損設(shè)備如圖2所示。

每種鑄鐵、合成和燒結(jié)材料樣品分別制作5個(gè)，直徑為12.7mm，長(zhǎng)度為10mm，如圖3所示。

試驗(yàn)過(guò)程中主要試驗(yàn)參數(shù)如下：滑動(dòng)磨損時(shí)間為180，360，540，720s；研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速為300，400， 500，600r/min；施加的載荷為92，122，152，182N。

圖2 萬(wàn)能摩擦磨損設(shè)備

圖3 磨損試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)過(guò)程如下：1)樣品初始稱(chēng)重；2)通過(guò)螺桿和銷(xiāo)托將樣品固定到滑輪座上，調(diào)整摩擦表面；3)測(cè)試調(diào)整試驗(yàn)載荷和速度；4)停止儀器和其他設(shè)備，拆卸測(cè)試樣品；5)通過(guò)稱(chēng)量試樣，測(cè)定磨損率；6)樣品表面清洗，以防磨損后有附著物。磨損試驗(yàn)前后的質(zhì)量用電子秤測(cè)量，其精密度為1/10 000，試驗(yàn)結(jié)果記錄在表5～7中，并給出了磨損量與時(shí)間、磨損量與載荷、磨損量與速度、摩擦力和系數(shù)的曲線圖。

2 磨損分析

通過(guò)磨損量的研究，發(fā)現(xiàn)鑄鐵樣品的磨損量最大，是燒結(jié)材料和合成材料樣品的6～7倍。體積的損失是以‰來(lái)計(jì)量。磨損率是通過(guò)對(duì)比樣品初始質(zhì)量以及最終磨損后的質(zhì)量來(lái)確定，見(jiàn)表6。材料壽命取決于磨損體積，雖然每個(gè)樣品磨損量不同，但是對(duì)其體積來(lái)說(shuō)，量級(jí)很小。

3種材料的試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)見(jiàn)表7。保持滑動(dòng)時(shí)間為360s、轉(zhuǎn)速為500r/min不變，改變載荷得到3種材料的磨損量、磨損率和摩擦系數(shù)曲線圖如圖4～6所示。

由圖5可知，相同條件下，隨著載荷的增加，磨損量增加，合成材料和燒結(jié)材料試樣的曲線變化率明顯低于鑄鐵樣品。從表7和圖6可知，滑動(dòng)時(shí)間的變化對(duì)摩擦系數(shù)沒(méi)有顯著的影響，而磨損量(表5)隨滑動(dòng)時(shí)間、載荷和轉(zhuǎn)速的增加而增加。對(duì)于鑄鐵材料，摩擦系數(shù)剛開(kāi)始隨著滑動(dòng)速度的增加而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)400r/min時(shí)，摩擦系數(shù)開(kāi)始增加。對(duì)于合成材料和燒結(jié)材料，隨著滑動(dòng)速度的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。鑄鐵材料、燒結(jié)材料和合成材料摩擦系數(shù)均值分別為0.44，0.37和0.25。由于燒結(jié)材料和合成材料樣品的磨損量增量小于它們表面所施加的載荷增量，可知粘著磨損在試驗(yàn)過(guò)程中占主導(dǎo)地位。有學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)材料的化學(xué)成分含有銅(Cu)和一些合金元素(如Cr、Mo、V、Sn、P)時(shí)，能使其珠光體結(jié)構(gòu)增加，導(dǎo)致表面硬度較高、抗粘著磨損性能增強(qiáng)。同時(shí)，石墨結(jié)構(gòu)對(duì)材料耐磨性起著重要的作用。已有的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，材料中的石墨結(jié)構(gòu)是一種固體潤(rùn)滑劑，能保護(hù)材料表面[6]。合成材料的高耐磨性來(lái)自于其表面的石墨結(jié)構(gòu)。

表5 試驗(yàn)?zāi)p量

表6 試驗(yàn)?zāi)p率

表7 試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)

圖4 不同載荷下磨損量的變化

圖5 不同載荷下磨損率的變化

圖6 不同載荷下摩擦系數(shù)的變化

通過(guò)對(duì)3種樣品進(jìn)行不同的磨損測(cè)試，可以看到摩擦系數(shù)變化比較平緩，沒(méi)有出現(xiàn)較大的波動(dòng)值,如圖6所示。摩擦力隨著載荷的增大而增大呈一定的線性變化，這與摩擦理論是一致的。

3 SEM圖像

在滑動(dòng)時(shí)間為360s、載荷為122N、速度為500r/min的條件下，通過(guò)電子掃描儀SEM對(duì)3種材料的磨損表面進(jìn)行掃描，圖像如圖7所示。

圖7 3種材料磨損表面的SEM圖像

由圖可以看出，鑄鐵材料表面的磨損主要是由于磨粒磨損引起的，而對(duì)于燒結(jié)材料和合成材料來(lái)說(shuō)，其表面磨損主要是由磨粒磨損和粘著磨損耦合作用引起的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比不同滑動(dòng)時(shí)間、載荷和轉(zhuǎn)速的條件下，對(duì)3種材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)分析研究?？梢缘贸鼋Y(jié)論，鑄鐵材料比合成材料和燒結(jié)材料更容易發(fā)生磨損，鑄鐵材料閘瓦的壽命是合成材料閘瓦的1/3，是燒結(jié)材料的1/6，耐磨性能最好的是燒結(jié)材料?？紤]到在機(jī)車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，燒結(jié)材料更換和維護(hù)修復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)大于合成材料，其成本也明顯高于合成材料。因此在機(jī)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)程中一般采用具有質(zhì)輕、壽命長(zhǎng)、成本低、易于維修更換等性能的合成材料制造閘瓦。